CN103823203A - 基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法，包括基于可见光通信的下行接收、发送模块和上行接收、发送模块，其中，下行发送模块包括下行发送FPGA、驱动电路、白光LED；下行接收模块包括传感器、下行接收FPGA；上行发送模块包括上行发送FPGA、驱动电路、红外LED；上行接收模块包括红外接收模块和上行接收FPGA。下行接收FPGA利用接收器的方向、入射光的方位角以及接收器接收的光强度，通过三维动态定位算法，在室内一个LED的环境下，提供精确的定位。本发明所提供的定位系统具有低成本，应用环境灵活等优点，可以实现整个建筑内的精确定位。

Description

基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，具体地，涉及一种基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法。

背景技术

在当今的室内定位技术中，基于无线传感网络的超声波、红外、射频识别等定位系统，需要在室内铺设价格昂贵的收发设备，成本比较高，不适合大范围的普及。而基于无线网络的无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）和WiFi(WirelessFidelity)虽然与现有的室内设备兼容，但由于无线信号在室内存在比较严重的多径干扰，因此很难实现高精度的定位。并且在一些对电磁辐射比较敏感的环境，如医院、机场等，该定位技术不能适用。

基于可见光通信（Visible Light Communication,VLC）技术的室内定位方案由于利用半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发射的白光作为定位信号的载体，因此没有电磁辐射，不受应用环境的限制；并且VLC的传输信道一般采用直射信道，信噪比比较高，多径干扰比较小，因此该定位方案可以达到比较高的精度；另外，基于VLC技术的室内定位系统与未来室内VLC网络相兼容，因此不需要昂贵的硬件设备投入，成本比较低廉。综合以上各方面，基于VLC技术的室内定位系统将是满足未来室内低成本、高精度、无处不在的定位方案。

经对现有文献检索发现,S.Hann,J.H.Kim等人于2010在《European Conference andExhibition on Optical Communication(ECOC)》上发表了题为“White LED Ceiling LightsPositioning Systems for Optical Wireless Indoor Applications”的文章，文章中提出了一种基于定位指纹的VLC室内定位算法。该算法的定位有两个阶段，即离线阶段和实时阶段。在离线阶段，通过建立一个与室内位置坐标成线性关系的数学量CSR(Correlation SumRatio)，该数学量通过计算接收器测量的来自四个LED的光强度获得。接收器测量几个采样点的CSR，就可以获得室内的各位置与CSR的关系曲线，即定位指纹。在实时阶段，接收器将计算的CSR值与离线阶段获得的定位指纹做对比，从而得到对应的位置坐标。该算法的优点是将定位过程的复杂度转移到了离线阶段，从而使实时阶段的定位过程比较简单，对接收器的硬件要求比较低，因此成本比较低。其缺点是该算法需要四个参考点才能工作，并且这四个参考点需要对称放置，因此对应用环境的要求比较高。而且算法需要两个过程，操作起来相对比较复杂。

又经文献检索发现，G.B.Prince,T.D.C.Little等人于2012年在《GlobalCommunications Conference(GLOBECOM)》上发表了“A Two Phase Hybrid RSS/AOA Algorithmfor Indoor Device Localization Using Visible Light”的文章，文章提出了一种由基于RSS（Received Signal Strength）的邻近定位算法和基于AOA（Angle of Arrival）的三角定位算法组成的混合定位算法。该算法首先由邻近算法根据接收的光强度来粗略的判断接收器的位置，即接收最大的光强所来自的LED的位置为接收器的位置；然后利用接收器测量的入射光线的方位角和顶角，根据AOA算法进行精确的定位。该定位方案的优点是定位系统的可靠性高，在复杂的室内环境下，即使AOA定位算法失效，系统也可以由邻近算法提供一个粗略的定位。而且AOA算法只需要两个参考点（LED）就可以工作，相对于其他的定位算法，该算法对环境的要求相对比较低。缺点是AOA算法要求接受器必须具备对入射光线的方位角和顶角的感知能力，因此需要成本比较高的传感器，并且对于小的房间、楼梯和走廊等只有一个LED的室内环境，该算法仍不能适用，无法实现对整栋楼的精确定位。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于接收器方向的室内可见光三维定位系统及方法，该系统和方法中，接收器只要能接收到一个LED的光信号，就可以提供精确的三维定位。本发明只需利用室内一个参考点，就能够实现整个建筑内的精确定位，从而降低成本，且应用环境灵活。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，包括主要由下行发送模块和下行接收模块形成的可见光下行链路以及主要由上行发送模块和上行接收模块形成的可见光上行链路；其中：

所述下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路和白光LED；所述下行发送FPGA用来产生白光LED发送的信号帧，该信号帧包含了该白光LED在室内的位置信息，所述驱动电路为白光LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上，所述白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去；

所述下行接收模块包括：传感器和下行接收FPGA；所述传感器将光强度、入射光方位角和接收器方向的物理量转变为电信号，发送给所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA计算出接收器的三维位置坐标；

所述上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路和红外LED；所述上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息，所述驱动电路与红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去；

所述上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；所述红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA将接收器的位置信息进行保存管理。

所述下行发送FPGA和上行接收FPGA通过一个FPGA实现。

所述上行发送FPGA和下行接收FPGA通过一个FPGA实现。

所述下行接收模块中的传感器为能够测量光强度、入射光线方位角和接收器方向的任何传感器。

所述下行接收模块还包括显示模块，所述显示模块将计算出来的位置坐标进行显示。

一种基于接收器方向的室内可见光三维定位方法，采用上述的定位系统来实现，所述下行接收FPGA根据接收器接收到的光强度、入射光方位角和接收器方向的信息，通过三维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器通过传感器接收到某个白光LED发射的光信号，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到该白光LED投影之间的距离，由此可以求得以该白光LED投影为圆心，以接收器投影到该白光LED投影之间的距离为半径的圆方程，同时，由传感器测得的入射光线的方位角，可以计算得到接收器投影与该白光LED投影所在直线的方程，由该两个方程可以求得交点坐标，然后，将接收器沿任一方向移动一段距离，该方向由传感器测得，接收器在新的位置上重复以上算法过程，由所得到的方程组计算出接收器的三维位置坐标。

接收器移动的距离由测量入射光方位角的传感器的灵敏度确定，即移动的距离应满足使传感器能够检测出入射光线方位角的最小变化。

与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：

1)本发明所提供的定位系统算法简单、操作方便，不需要其他定位技术进行辅助。

2)本发明所提供的定位系统与VLC通信网络相兼容，定位系统成本比较低，便于未来的普及。

3)本发明所提供的定位方案相对于其他室内定位方案，只使用一个LED，应用场合比较灵活，抗干扰能力强，可以实现整栋建筑内的精确定位。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所公开的定位系统框图；

图2为本发明所公开的定位算法的立体原理图；

图3为本发明所公开的定位算法的房间平面原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的定位系统如图1所示，包括基于VLC（可见光通信系统）的下行发送模块、下行接收模块形成的下行链路、上行发送模块和上行接收模块形成的上行链路。

下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路、白光LED。

下行发送FPGA用来产生LED发送的信号帧，该信号帧包含了该LED在室内的位置信息。驱动电路为LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在LED的驱动电流上。白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去。

下行接收模块包括：传感器、下行接收FPGA和显示模块。

传感器将光强度、入射光方位角和接收器方向等物理量转变为电信号，以便定位算法处理。下行接收FPGA负责定位算法的实现。显示模块将定位算法计算出的位置结果进行显示。

上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路、红外LED。

上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息。驱动电路与红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去。

上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA。

红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息。上行接收FPGA将接收器的位置信息进行管理保存。

本发明中，发射端的LED发射调制有定位信息的白光，这里的定位信息指的是LED的位置坐标。接收器通过传感器测量入射光的强度、入射光的方位角以及接收器的方向，再由下行接收FPGA计算出接收器的三维位置坐标。接收器将计算出来的位置坐标通过基于红外LED的VLC上行链路发送到上行接收FPGA上，该上行接收FPGA负责对室内接收器的位置进行管理，从而实现对接收器的定位与追踪。

本发明中，下行接收FPGA通过三维动态定位算法计算得到接收器的三维位置坐标，具体如图2和图3所示，白光LED固定在天花板上的某一位置，其坐标已知，设为（a,b,h），其在水平面的投影为O（a,b）。对于室内接收器所处的某个位置设为MU₁(x,y,z)，其在水平面的投影为P₁（x,y）。根据RSS算法，由接收到的光强度可以计算出MU₁与LED之间的距离d₁。而LED的高度为h，由此可以计算出MU₁与LED在水平面上投影之间的距离r₁。

$r_1=\sqrt{d_1^2-{(h-z)}^2}---\left(1\right)$

则以点O为圆心，r₁为半径的圆方程为：

（x-a）²+(y-b)²＝d²-(h-z)²    （2）

此时将房间作为参照系，并假设房间东西走向。由传感器测得MU₁与LED所在直线的方位角，即直线P₁O的方位角。则该直线的斜率k₁可以求出。由此可以求得该直线的方程：

y＝k₁(x+a)+b    (3)

接下来，将接收器沿某个方向移动一个固定距离D，即接收器由位置MU₁移到MU₂，坐标由P₁点移动到了Q₁（x',y'）点。由传感器计算得到直线P₁Q₁的斜率为K₂。因此可以由式（4）求得Q₁的坐标，其坐标可以由P₁点的坐标表示。

$\left\{\begin{array}{c}{y}^{\′}-y=k_2(x^{\′}-x)\\ {(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2=D^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

在Q₂点的位置，同样由接收到的光强度计算得到Q₂与LED的距离d₂，根据MU₂与LED及其在水平面的投影点O所在三角形的三角关系可得：

${(x^{\′}-a)}^2+{(y^{\′}-b)}^2+{(h-z)}^2=d_2^2---\left(5\right)$

这里由于接收器移动的距离D比较小，所以可以认为接收器的垂直高度Z保持不变。

至此，可以由式（1）-（2）解得P₁和Q₁点的坐标。由于对称关系，同样可以得到P₂和Q₂点的坐标。最后，通过传感器在MU₂点测得的入射光线的方位角，可以确定Q₁点的坐标为接收器的三维位置坐标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，其特征在于，包括主要由下行发送模块和下行接收模块形成的可见光下行链路以及主要由上行发送模块和上行接收模块形成的可见光上行链路；其中：

所述下行发送模块包括：下行发送FPGA、驱动电路和白光LED；所述下行发送FPGA用来产生白光LED发送的信号帧，该信号帧包含了该白光LED在室内的位置信息，所述驱动电路为白光LED提供合适的直流偏置，并把发送信号调制在白光LED的驱动电流上，所述白光LED将调制后的信号以白光形式发射出去；

所述下行接收模块包括：传感器和下行接收FPGA；所述传感器将光强度、入射光方位角和接收器方向的物理量转变为电信号，发送给所述下行接收FPGA，由所述下行接收FPGA计算出接收器的三维位置坐标；

所述上行发送模块包括：上行发送FPGA、驱动电路和红外LED；所述上行发送FPGA用于产生上行发送的信号帧，该信号帧包含了接收器的位置信息，所述驱动电路与红外LED将信号调制到红外LED驱动电流上并以红外线的形式发送出去；

所述上行接收模块包括：红外接收模块和上行接收FPGA；所述红外接收模块从接收到的红外线中提取出接收器的位置信息，所述上行接收FPGA将接收器的位置信息进行保存管理。

2.根据权利要求1所述的基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，其特征在于，所述下行发送FPGA和上行接收FPGA通过一个FPGA实现。

3.根据权利要求1所述的基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，其特征在于，所述上行发送FPGA和下行接收FPGA通过一个FPGA实现。

4.根据权利要求1所述的基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，其特征在于，所述下行接收模块中的传感器是能够测量光强度、入射光线方位角和接收器方向的任何传感器。

5.根据权利要求1所述的基于接收器方向的室内可见光三维定位系统，其特征在于，所述下行接收模块还包括显示模块，所述显示模块将计算出来的位置坐标进行显示。

6.一种基于接收器方向的室内可见光三维定位方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一所述的定位系统来实现，所述下行接收FPGA根据接收器接收到的光强度、入射光方位角和接收器方向的信息，通过三维动态室内定位算法进行定位计算，具体是：首先，接收器通过传感器接收到某个白光LED发射的光信号，由RSS算法计算出在水平面上接收器的投影到该白光LED投影之间的距离，由此可以求得以该白光LED投影为圆心，以接收器投影到该白光LED投影之间的距离为半径的圆方程，同时，由传感器测得的入射光线的方位角，可以计算得到接收器投影与该白光LED投影所在直线的方程，由该两个方程可以求得交点坐标，然后，将接收器沿任一方向移动一段距离，该方向由传感器测得，接收器在新的位置上重复以上算法过程，由所得到的方程组计算出接收器的三维位置坐标。

7.根据权利要求6所述的基于接收器方向的室内可见光三维定位方法，其特征在于，接收器移动的距离满足使所述传感器能够检测出入射光线方位角的最小变化。

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